Установки для определения макротвердости металлов и сплавов при нагреве » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Установки для определения макротвердости металлов и сплавов при нагреве

15.05.2021

Одна из первых работ (1905 г.) по измерению твердости нагретых металлов выполнена Д.А. Бринелем на твердомере его конструкции, причем индентором служил холодный шарик, который вдавливался в поверхность нагретых образцов. Значительные погрешности, возникающие при этом методе из-за подстуживания зоны вдавливания холодным индентором, были рассмотрены в работах Ф. Робина.

А. Кюрт привел описание одного из первых приборов, созданных для измерения твердости при нагреве до 500 °С. В этом приборе нагревался не только образец, но и индентор; кроме того, принимались меры для предотвращения их окисления. На данном приборе можно было испытывать образцы серебра, меди, никеля, алюминия, цинка и олова, подвергавшихся нагреву в жидкой среде, причем до 300 °C использовалось масло, а от 300 до 500 °C — смесь калиевой и натриевой селитр.

Аналогичным методом проводил испытания Р. Людвик. Он повысил температуру измерения твердости до 600 °С. В качестве индентора при данных методах определения твердости использовался стальной конус с углом 90° при вершине.

Многие исследователи при измерениях «горячей» макротвердости металлов и сплавов пошли по пути применения стандартных твердомеров Бринеля, Роквелла и Виккерса, дополнительно оборудованных нагревательными устройствами.

Например, И.Л. Миркин и Д.Е. Лившиц на приборе Бринеля проводили испытания при нагреве образцов на воздухе до 900 °С. В качестве индентора использовали шарик из твердого сплава, поверхность которого подвергали химико-термической обработке (бериллизации), повышавшей его стойкость против коррозии.

На рис. 86 приведена принципиальная схема этого приспособления. Внутри вертикальной трубчатой печи сопротивления 1 на упоре 2 помещают исследуемый образец 3. Температуру нагрева образца контролируют при помощи термопары, располагаемой в трубке 4. Для вдавливания в нагретый образец используется шарик 5 диаметром 5 мм. Твердость определяют по отношению приложенной нагрузки к поверхности отпечатка, измеренной на охлажденном образце.

Недостатки устройства — неизбежное окисление поверхности образца в процессе нагрева и охлаждения на воздухе, что вызывает погрешности в величине отпечатков, а также трудоемкость испытания из-за медленного прогрева печи и исследуемых образцов; кроме того, при рассматриваемом способе определения твердости температура нагрева при испытании сравнительно невысока.

Для предохранения образцов от окисляющего действия воздуха при измерении твердости на приборе Бринеля при нагреве до 500—800 °C А.И. Бетанели покрывал их порошком хлористого аммония, а при нагреве от 800 до 1100 °C — бурой. Наконечник прибора был изготовлен из твердого сплава марки ЦМ-332 и имел вид конуса с углом 136° и радиусом закругления вершины 0,65 мм. Нагрузка на образец составляла 375 кг. Продольное и поперечное перемещение образца относительно наконечника производилось при помощи встроенного в установку механизма предметного столика инструментального микроскопа. Температуру образца в процессе испытания контролировали термопарой.

На этой установке была измерена твердость ряда металлокерамических твердых сплавов и минералокерамических материалов при нагреве до 1100 °C. Достоинством такого устройства является относительная простота, а к недостаткам следует отнести большую продолжительность опытов, необходимость удаления с образцов после их охлаждения корки расплавленных покрытий (хлористого аммония или буры), а также низкую стойкость наконечников, выдерживающих только несколько десятков нагружений. Кроме того, при данном методе испытания образец в зоне касания наконечника охлаждался, так как этот наконечник имел более низкую температуру, чем образец. Это вызывало повышение твердости в испытываемом участке. Применение поправочного коэффициента для корректировки охлаждающего влияния наконечника нельзя считать безупречным. Присутствие на поверхности образцов слоя расплавленных солей — своеобразной смазки для вдавливаемого наконечника — может привести к некоторым дополнительным искажениям. Можно полагать, что данную методику и устройство целесообразно применять только для сравнительно грубых испытаний.
Установки для определения макротвердости металлов и сплавов  при нагреве

Некоторые исследователи применяли защитные атмосферы в зоне определения твердости. Так, Е. Бишоп и М. Кохен описали приспособление, с помощью которого можно измерять твердость металлов и сплавов на приборе Роквелла при нагреве до 800 °C в атмосфере азота. На рис. 87 приведена схема этого приспособления.

Испытываемый образец 1 помещается на стальную цилиндрическую подставку 2, которая прикреплена к плите 3, опирающейся на подъемный стол 4 прибора Роквелла. На наружной поверхности трубы 5 из нержавеющей стали, а также на стержне 6 из быстрорежущей стали имеется обмотка 7 для нагрева, изолированная от этих частей приспособления слюдяными прокладками. Наконечник с алмазным конусом 8 прикреплен к стержню 6. При измерении твердости образца стержень и наконечник перемещаются вместе со стальной чашкой 9, край которой погружен в масло 10, находящееся в водоохлаждаемом кольцевом сосуде 11, образующем масляный затвор; этот затвор создает герметичность во внутренней части приспособления, а также позволяет свободно передвигаться стержню 6. Герметичность необходима для предотвращения утечки азота, вводимого в рабочую зону по водоохлаждаемому патрубку 12 и выходящего через патрубок 13.

Наблюдать за образцом можно через смотровое стекло 14, укрепленное на конической стальной трубе 15. Для освещения образца используется электрическая лампа 17, свет от которой проходит через трубку 16.

Промежуток от наружного кожуха 18 до трубы 15 заполнен теплоизоляцией. Болты 19 связывают плиту 3 с кольцевой накладкой 20.

Температуры в рабочей зоне приспособления, а также образца и алмазного конуса измеряют при помощи термопар 21—24, выводы которых уплотнены заливкой глифталевым лаком.

В литературе, к сожалению, отсутствуют сведения об эксплуатационных качествах описанного приспособления.

Чтобы при высокотемпературных измерениях твердости образцы не окислялись, нагрев можно вести в вакууме. На рис. 88 показана принципиальная схема приспособления, при помощи которого Ф. П. Бене на приборе Виккерса измерял твердость образцов в вакууме при нагреве до 925 °С.

Металлический корпус 1 и съемная крышка 2 представляют вакуумную рабочую камеру. Корпус 1 устанавливается на станине прибора Виккерса 3. В патрубке имеется вакуумное сальниковое уплотнение 4, обеспечивающее герметичность прилегания к плунжеру 5, изготовленному из инвара. Наконечник с алмазной пирамидой 6 прикреплен к плунжеру 5. При помощи серьги 7 шпиндель прибора Виккерса 8 соединен с плунжером 5 и передает нагрузку на наконечник. Исследуемый образец 9 помещается на керамической подставке 10 и нагревается за счет излучения от электрической печи сопротивления 11. Для уменьшения потерь на нагрев стенок корпуса и крышки применена теплоизоляция 12. Температура образца измеряется термопарой 13, выводы которой пропущены через вакуумное уплотнение 14. Перемещение образца для повторных измерений твердости производится керамическим стержнем 15, соединенным с подающим механизмом 16. Для откачки воздуха и газов из рабочей камеры данного приспособления имеется патрубок 17, соединенный с вакуумной системой. Диагонали отпечатков алмазного наконечника на поверхности образца измеряют после охлаждения образца до комнатной температуры и его извлечения, из вакуумной рабочей камеры.

Один из недостатков приспособления к прибору Виккерса — наличие сальникового уплотнения 4, так как в зависимости от ряда факторов (состояние поверхности, температура, густота смазки и др.) изменяется величина усилия для перемещения плунжера 5. Это приводит к снижению точности измерения твердости. Кроме того, предельная температура нагрева на данном приспособлении составляет всего 925 °С, что ограничивает область изучения характера изменения твердости многих материалов.

Приспособление несколько более удачной конструкции, позволяющее измерять твердость при высоких температурах на приборе Виккерса, было создано В. Гриффитсом и Г. О’Нейлем. На рис. 89 приведена принципиальная схема устройства удлинительной насадки к индентору прибора Виккерса, созданного указанными авторами. Изготовленный из нержавеющей стали полый стержень 1 длиной 152 мм передает давление на индентор от плунжера механизма нагружения прибора Виккерса. Стержень 1 проходит через укрепленную на крышке 2 корпуса печи втулку 3; в выемку 4 во втулке подается смазка. Центральный шток 5 диаметрам 6,35 мм и длиной 127 мм может перемещаться внутри стержня 1 в пределах около 1 мм за счет люфта возле фиксирующего винта 6. Момент соприкосновения алмазного индентора 7 укрепленного на конце штока 5, с образцом определяется по началу движения конца штока, который виден в прорези 8 в стержне 1. Этот стержень соединен с плунжером 9 механизма нагружения прибора Виккерса. Во время испытания рабочее пространство печи заполняется водородом, вводимым через штуцер 10.

Приложение нагрузки к индентору на описываемом устройстве за нимало 3—4 сек., а время выдержки под нагрузкой (составлявшей от 1 до 10 кг) было принято равным 15 сек. Было установлено, что значения твердости не зависят от нагрузки, изменявшейся в указанных пределах.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: